Inhaltsverzeichnis
1. Embedded Systeme als Basismodule für kürzere Entwicklungszeiten
2. Jedem Modul ein individueller Kühlkörper
3. CPU-Kühlkörper für Embedded Systeme
4. Thermische Simulation
Bei Embedded Systemen geht es um minimale Kosten, möglichst wenig Platz-, Energie- und Speicherverbrauch und um die Funktionsfähigkeit in Echtzeit. Wichtig ist ein langer, fehlerfreier, gegebenenfalls auch 24/7-Einsatz, egal wie rau die Umgebung ist, denn auch geringste Unregelmäßigkeiten könnten etwa die Fertigung eines Unternehmens lahmlegen. Bewegliche Teile vermeidet man aus Verschleißgründen, daher werden z.B. stromsparende Prozessoren, ROM- oder Flashspeicher bevorzugt, die ohne Lüfter auskommen.
Embedded Systeme als Basismodule für kürzere Entwicklungszeiten
Die eingebetteten Architekturen sind sehr aufwändig zu entwickeln. Daher bietet Toradex System-on-Modules (SoM) bzw. Computer-on-Modules (CoM) an – kleine, einsatzbereite Computing-Lösungen, die aus anwendungsunabhängiger Hard- und Software bestehen. „Bei einem CoM oder auch SoM werden die Kernkomponenten eines Embedded Computers auf einem kleinen Modul platziert, inklusive SoC, RAM, Flash, Power Management, Ethernet, etc.“, erklärt Daniel Lang, Chief Marketing Officer bei Toradex. „Dieses Basismodul erweitert der Kunde dann zu seinem gewünschten Trägerboard mit dem IO und den benötigten Peripheriegeräten.“ Die Anwender profitieren von diesem Konzept durch reduzierte Komplexität sowie kurze Produkteinführungszeiten und sparen auch Entwicklungskosten. Ein weiterer Vorteil ist, dass solch ein Modul über mehrere CPU-Generationen verwendet werden kann. Zudem lässt sich die Rechenleistung des eingebetteten Systems bedarfsgerecht skalieren.
Jedem Modul ein individueller Kühlkörper
Die beiden Produktfamilien Colibri und Apalis sind die modular aufgebauten CoM-Lösungen aus dem Embedded-Programm von Toradex. Colibri-Module kommen ohne zusätzlichen Wärmespreizer oder Kühlkörper aus, da sie überwiegend über einen thermischen Drosselmechanismus verfügen: Das Modul misst die aktuelle Temperatur des SoC. Übersteigt diese einen kritischen Wert, drosselt es die CPU-Geschwindigkeit oder schaltet das System komplett aus, um Schäden zu vermeiden. Die Apalis-Module dagegen benötigen in vielen Anwendungsfällen einen Kühlkörper zum Abführen der entstehenden Verlustleistung von maximal 15 W, um dauerhaft zuverlässig zu funktionieren. Dabei gelten für die Kühllösungen nahezu die gleichen Anforderungen wie für die Embedded Systeme selbst: Sie müssen kompakt, leistungsstark und möglichst mobil sein.
Toradex bezieht die Kühllösungen für seine Module bei CTX Thermal Solutions, dessen Portfolio folgende CNC-gefertigte, aktive und passive Embedded-Kühllösungen umfasst:
- einfache Rippenkühlkörper
- Wärmespreizer (Heatspreader) mit integrierten Wärmerohren (Heatpipes)
- Kühlkörper mit Kupfer-Inlay
- kühlende Gehäuse
Das Design der eingebetteten Kühlkörper kann dabei dem jeweiligen System individuell angepasst werden.
Welcher Kühlkörper für die kundenspezifische Anwendung am besten geeignet ist, hängt von der abzuführenden Verlustleistung und dem zur Verfügung stehenden Bauraum ab. Die Kühlkörper werden in der Regel direkt am Hotspot montiert, also dort, wo die Wärmeentwicklung am größten ist. Starke Hitze, die die Leistungsfähigkeit des Systems reduziert, kann auf diese Weise gar nicht erst entstehen.
CPU-Kühlkörper für Embedded Systeme
CPU- oder Prozessorkühlkörper bestehen meist aus Aluminium oder Kupfer. Auch eine Kombination beider Metalle in Form von Hybrid-Kühlkörpern ist möglich. Dabei vereinen Hybridkühlkörper die Vorteile beider Metalle: die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und das geringe Gewicht von Aluminium. Angeboten werden Kühler-Lüfter-Kombinationen ebenso wie rein passive Kühlkörper, Flüssigkeitskühlkörper oder Wärmerohre. Immer gilt jedoch, dass CPU-Kühlkörper mechanisch und hinsichtlich ihrer Leistung sehr präzise zum jeweiligen Prozessor- bzw. Sockeltyp passen, gleichzeitig sehr leicht und klein sind und durch eine entsprechend hochgenaue Fertigung einen guten Wärmeübergang zwischen Prozessor und Kühlkörper gewährleisten.
Toradex setzt in seinen Apalis-Modulen passive CPU-Kühlkörper aus einer Aluminiumstranggusslegierung mit schwarz eloxierter Oberfläche und einer Kühlleistung von 5,5 W/mK ein, die mit vier Schrauben der Größe M3 auf der Trägerplatine befestigt werden. Das Kühlkörperdesign war dabei eine besondere Herausforderung, denn der zur Verfügung stehende Bauraum ist sehr begrenzt und die Verschraubung erfordert bei den sehr geringen Kühlkörperabmessungen ein gewisses Fertigungs-Know-how. So messen die Kühlkörper ganze 82 mm x 59 mm bei modulabhängigen Stärken von 0,85 mm, 1,15 mm, 1,3 mm bzw. 1,4 mm. Zusätzlich zu den Bohrungen für die Befestigungsschrauben verfügen die Kühlkörper auch über Gewindebohrungen, über die bei Bedarf ein Lüfter montiert werden kann.
Thermische Simulation
Im Fall von Toradex basiert der Kühlkörperentwurf auf langjähriger Erfahrung. Gilt es jedoch für ein neues Produkt eine Kühllösung zu entwickeln, hilft die thermische Simulation dabei, das optimale Kühlkörperdesign zu finden. Mit dem analytischen Prozess der thermischen Simulation lässt sich der Temperaturzustand eines elektrischen Bauteils anhand definierter thermodynamischer und geometrischer Randbedingungen berechnen. Gleichzeitig können mögliche thermische Probleme frühzeitig erkannt werden. So lassen sich das Design und die Kühlleistung optimieren und zudem Kühlkörpermaterial und -gewicht einsparen. Stellt sich dabei heraus, dass durch eine Veränderung der Kühlkörpergröße, des verwendeten Materials oder der Befestigungsart eine Zwangsbelüftung durch eine passive Kühlung ersetzt werden kann, spart dies Material- und Fertigungskosten in erheblichem Maß. (eve)
Mehr zum Thema Kühlung für Embedded Systeme: hier.pro/ZyNmW
Kontakt:
CTX Thermal Solutions GmbH
Lötscher Weg 104
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Telefon: +49 2153 7374–0
E-Mail: info@ctx.eu
www.ctx.eu
